维普资讯 http://www.cqvip.com 第２７卷第８期 半导体学报 ＶＯ１．２７ ＮＯ．８ Ａｕｇ．，２００６ ２００６年８月 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＭＩＣｏＮＤＵＣＴＯＲＳ 高阶谐振模态的超高质量分辨硅微 悬臂梁压阻传感器＊ 刘 剑 李昕欣 金大重 刘 民 王跃林 左国民 余海涛 包菡涵 （中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室，上海２０００５０） 摘要：开发了一种在空气中具有几十飞克质量分辨率的谐振式微机械悬臂梁生化质量检测传感器．在悬臂梁上面 实现了使用惠斯通压阻电桥检测和洛伦兹力线圈驱动集成结构．与通常的一阶模态谐振传感器不同，为了显著提 高传感器特异性反应吸附质量以实现分子水平的检测分辨率，提出了一种二阶弯曲谐振模态优化驱动的方法．在 悬臂梁上集成了一种回形针状的驱动电流回路，实现了与第二模态悬臂梁运动两个相反运动峰值相吻合的两处同 时反方向驱动．研究中采用硅微机械技术实现了集成谐振悬臂梁的制作，并研制出了高性能的谐振传感器闭环接 口电路．在空气中进行谐振实验，与传统一阶模态传感器相比，采用该优化驱动的二阶模态，谐振品质因数从１９５ 提高到８５７，谐振频率从４９．１５６提高到２９８．１３２ｋＨｚ，采用Ａｌｌｅｎ方差的方法对谐振频率噪声进行分析，表明该优化 驱动的二阶模态传感器将传统的一阶模态传感器质量分辨率从０．１７改善到０．０２９ｐｇ，达到了４个痘病毒的质量分 辨水平． 关键词：悬臂梁；压阻敏感；电磁激励；ＡＧＣ式闭环电路；谐振模态；质量检测分辨率 ＰＡＣＣ：８７８０Ｂ 中图分类号：ＴＰ２１２．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５３－４１７７ｌ２００６）０８－１４９６－０７ １ 引言 空气环境下，质量检测分辨率在Ｐｇ（１０－１ ｇ）以 下的谐振式微机械悬臂梁传感器，由于具有单细胞 的检测能力，在环境监测和疾病诊断等方面有广阔 的应用前景，而得到了广泛的研究Ｉ１］．一些实验研究 表明，机械悬臂梁能够在空气中探测到单介细胞或 病毒口 ；真空中，微机械悬臂梁由于具有很高的品 质因数，质量分辨率能够达到１０－１。ｇｌ， ］．但是，这些 实验结果都是利用原子力显微镜中精密的光学位置 敏感检测器（ＰＳＤ）获得的，由于没有集成在传感器 上实现小型化，不适于便携、实时的现场生化检测应 用 ］．一些理论研究表明，通过减小悬臂梁尺寸来减 小悬臂梁的有效质量，可以改善质量分辨率 ．然 而，为了提高生化传感器的生化探测效率，必须在悬 比基频模态更高的品质因数和灵敏度 ，但是该实 验结果仍然是利用原子力显微镜的驱动和光学检测 系统得到的． 在本研究中，我们设计了一种集成有压阻敏感 元件和电磁驱动线圈的高阶模态谐振式硅微机械悬 臂梁．采用优化的洛伦兹力驱动方式激励悬臂梁的 二阶弯曲模态，显著地提高了品质因数；并采用自动 增益控制（ＡＧｃ）式的谐振电路进行闭环反馈，实现 了自激振荡．实验结果显示，该优化驱动的二阶谐振 模态悬臂粱传感器达到２９ｆｇ（２．９×１０－１ ｇ）的质量 检测分辨率． ２ 器件设计 ２．１ 高阶模态的质量检测分辨率分析 对于长、宽、厚分别为ｆ，ｂ，ｈ的悬臂梁，通过模 态叠加法得到第ｔ／阶弯曲谐振模态的模态函数为： （ ）＝ｃｏｓ（ｘ ）一ｃｏｓｈ（ ）一 臂梁上为选择性吸附反应保留足够的面积，悬臂梁 尺寸的缩小也受限于微加工工艺水平，通过减小有 效质量能够改善的质量分辨率非常有限＿８］．另一方 面，采用闭环反馈电路实现微机械悬臂梁的自激振 荡，可以显著地改善分辨率＿ｇ］．此外，一项２００５年报 道的研究表明，谐振式悬臂梁在高阶模态下显示出 ×（ｓｉｎ（ ）一ｓｉｎｈ（ｇ，ｎＸ）） ｓｉｎ（ｘ ｆ）＋ｓｉｎｈ（ ｆ） ……… ～ 。 ～ （１） 其中 是对应于第ｎ阶弯曲模态的常数．根据单 ＊国家重点基础研究发展规划（批准号：２００６ＣＢ３００４０５）和国家自然科学基金（批准号：６０３７６０３８）资助项目 ｔ通信作者．Ｅｍａｉｌ：ｌｉｕｊｉａｎ＠ｍａｉｌ．ｓｉｍ．ａｃ．ｃａ ２００６－０１－０６收到，２００６－０２－１３定稿 ⑥２００６中国电子学会 维普资讯 http://www.cqvip.com 第８期 刘 剑等： 高阶谐振模态的超高质量分辨硅微悬臂梁压阻传感器 端固支悬臂梁的边界条件：ＣＯＳ（ ，）ｃｏｓｈ（ ，）＝ 一１，进一步求解得到谐振模态常数： ，＝１．８７５， ，＝４．６９４， ，＝（，ｌ一０．５）７ｃ（，ｌ＞２）．由此第，ｌ阶 模态的固有谐振频率可表示为： （￡，ｎ一 （２） 其中 ｋ ＝ 是第，ｌ阶模态的等效弹性 系数；，，１ ＝ 为第，ｌ阶模态的等效质量，ｌＤ为 单晶硅密度，Ｅ为单晶硅杨氏模量． 对于二阶谐振模态： ／叫１＝（尬／ １）。≈６．２７，即 第二阶模态的固有谐振频率约是基频模态的６．２７ 倍．当悬臂梁自由端吸附待测分子，质量载荷增加 Ａｍ时，固有谐振频率变为： （３） 当外加质量载荷Ａｍ远小于悬臂梁等效质量，，ｌ 时，二阶谐振模态下的悬臂梁的质量检测灵敏度可 表示为： ， Ｓ２＝ ／－ ≈三 ｘ（４） ｌＨ ｌＨｅｌｆ 由于二阶模态悬臂梁比一阶模态具有更高的谐振频 率，而其等效质量不变，所以悬臂梁具有更高的质量 检测灵敏度．当最小可检测的频率变化值为△ 。 时，最小可检测质量变化△，ｒｔ 可表达为： Ａｍ ｉ。≈ 堕 （５） （Ｍ２ 在闭环谐振状态下，上式可表示为［１ ｎ］： ＡＡ Ａｍ ｉ ＝ ，，ｌ。ｆｆ （６） ２ 其中Ａ０为谐振电路的相位稳定度；ａ。为悬臂梁 的二阶模态谐振品质因数．在空气中，空气阻尼是影 响谐振式悬臂梁品质因数的主要因素之一［１ ．通 常，悬臂梁在二阶模态下具有比一阶模态更高的品 质因数，从而具有更高的谐振频率稳定性，因此通过 激励悬臂梁的二阶甚至更高阶模态，能够有效改善 质量检测分辨率． ２．２二阶模态的洛伦兹力优化驱动设计 图１给出了悬臂梁在一阶模态和二阶模态谐振 下的模态函数和应力分布，一阶模态的模态函数只 有一个极值，而二阶模态的模态函数有两个极值，这 两个极值分别位于 ／ｆ＝０．４７和 ／，：１处且正负 相反，这说明悬臂梁在这两点的振动方向相反．一阶 模态和二阶模态的应力最大值都位于根部，所以将 压阻布置于悬臂梁根部． 基于以上讨论，为了对比研究驱动方式对悬臂 一 、 一一一一 ．＼，．：： ／ ／ ， Ｉ Ｉ ＿ Ｉ ・ Ｉ －ｌ ‘阶弯曲谐振模态 （ｂ） ．．．一一／ ．－－／． 。．．・・＿ ＿ 一 一一 一 ． Ｉ － Ｉ ． Ｉ Ｉ Ｉ ． 图１ （ａ）一阶和二阶模态下的悬臂梁振动模态函数∞ （ ／ ｆ）；（ｂ）一阶和二阶模态下的悬臂梁应力分布 （ ／ｆ） Ｆｉｇ、１ （ａ）Ｍｏｄｅ ｓｈａｐｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ （ ／ｆ）ｏｆ ｃａｎｔｉｌｅ— ｖｅｔ ｉｎ １ｓｔ ａｎｄ ２ｎｄ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｍｏｄｅ；（ｂ）Ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕ． ｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ妒 （ ／ｆ）ｏｆ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｉｎ １ｓｔ ａｎｄ ２ｎｄ ｒｅｓ． ｏｎａｎｃｅ ｍｏｄｅ 梁谐振特性的影响，我们设计并制作了两种洛伦兹 力驱动的压阻式微机械悬臂梁，一种采用传统的洛 伦兹力驱动方式，另一种则采用优化的洛伦兹力驱 动方式，分别命名为Ａ悬臂梁和Ｂ悬臂梁．将一块 ＮｄＦｅＢ永磁体安放在悬臂梁前面，在悬臂梁上的铝 线圈中通交变电流，产生的洛伦兹力激励悬臂梁振 动．图２（ａ）显示最终制成的两种悬臂梁的ＳＥＭ图 像．从洛伦兹力驱动线圈的布局上，可以看出，一阶 模态Ａ悬臂梁只在自由端受到洛伦兹力；而Ｂ悬臂 梁上集成了回形针形状的线圈，使在悬臂梁中部和 端部的驱动电流的方向相反，进而在悬臂梁中部和 端部产生两个方向相反的驱动力．与图２（ｂ）中的模 态函数相对比，这两个力的方向恰好与二阶模态悬 臂梁的振动方向一致，这样的驱动方式与二阶模态 的振形相吻合，可以提高二阶模态的品质因素等谐 振性能，进而提高质量分辨率． 由于在悬臂梁上必须保留足够的面积用于质量 吸附、压阻和驱动线圈的布置，Ａ悬臂梁和Ｂ悬臂 梁的尺寸均设计为３００ｔ￣ｍ×７５ｔ￣ｍ×３ｕｍ，其有效质 维普资讯 http://www.cqvip.com 半导体学报 第２７卷 ０ ０ 图２（ａ）和（ｂ）分别是集成压阻和激励线圈的Ａ悬臂梁和Ｂ悬臂梁的ＳＥＭ照片；（ｃ）一阶模态的Ａ悬臂梁模态函数和洛伦兹 力示意图；（ｄ）二阶模态的Ｂ悬臂梁模态函数和洛伦兹力示意图 Ｆｉｇ．２ （ａ）ａｎｄ（ｂ）ＳＥＭ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ａｎｄ Ｂ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｄｅｎｏｔｅｄ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ；（Ｃ）Ｌｏｒｅｎｔｚ・ｆｏｒｃｅ ｌｏｃａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ Ａ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｅｘｃｉｔｅｄ ｉｎ １ｓｔ ｍｏｄｅ；（ｄ）Ｌｏｒｅｎｔｚ． ｆｏｒｃｅ ｌｏｃａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｂ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｅｘｃｉｔｅｄ ｉｎ ２ｓｔ ｍｏｄｅ 量为５２．５ｐｇ，一阶和二阶模态固有谐振频率分别为 ４１．５和２６０．２ｋＨｚ，对特异性吸附的质量灵敏度分 别为０．４３和２．７０Ｈｚ／ｐｇ． ３器件制作工艺 传感器采用ｎ型（１００）的注氧隔离ＳＯＩ硅片制 作．顶层硅的厚度为３．５ ｍ，电阻率为１～１０１２・ ｃｍ，掩埋氧化层为０．３６／ｚｍ，衬底厚度为３８０／ｚｍ．传 感器制作工艺流程如图３所示，主要制作步骤如下． ３．１顶层硅减薄 热生长１／ｚｍ厚的氧化硅并用稀氢氟酸腐蚀掉， 余下３．１／ｚｍ的硅，再干氧生长２００ｎｍ的氧化硅，使 顶层硅达到悬臂梁的厚度． ３．２压阻的形成 『日 目日 ｌＣｒ／Ａｕ ＳｉＯ 皿 压阻＿ＡＩ口Ｓｉ强Ｃｒ 图３谐振式微机械悬臂梁制作工艺流程图 Ｆｉｇ．３ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｒｅｓｏ・ ｎａｎｔ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｓｅｎｓｏｒｓ ３．３互连和电磁激励线圈制作 采用Ｂ离子注入获得Ｐ型压阻，注入能量为 ６０ｋｅＶ、剂量为８ ｘ １０Ｈ／ｃｍ。，用光刻胶作为掩模，去 胶后在９５０℃、Ｎ 气氛中退火３０ｍｉｎ．这个工艺条件 可以获得约０．４５ ｍ深的Ｐ—ｎ结，使压阻敏感元件 靠近悬臂梁表面，有利于获得较高的悬臂梁弯曲应 力灵敏度，同时氧化硅．硅界面处Ｂ离子掺杂浓度超 过１０ ／ｃｍ。，能够与ＡＩ引线形成良好的欧姆接触． 用光刻胶做掩模，用缓冲氢氟酸腐蚀掉氧化硅 开引线孔．溅射５００ｎｍ厚的ＡＩ膜，光刻ＡＩ引线和 电磁激励线圈图形，用磷酸刻蚀、去胶、在４８０℃Ｎ ＋Ｈｚ气氛中合金３０ｍｉｎ后，形成压阻引线和电磁 激励线圈． ３．４ Ａｉ线钝化层制备 由于后续工艺需要ＨｚＳＯ ＋Ｈ ｏ 清洁，为了 保护ＡＩ线不被腐蚀，溅射了３５０ｎｍ厚的Ｃｒ作为钝 化层，Ｃｒ图形比ＡＩ线左右各宽出２ ｍ，这样可以保 维普资讯 http://www.cqvip.com 第８期 刘 剑等： 高阶谐振模态的超高质量分辨硅微悬臂梁压阻传感器 证Ｃｒ钝化层能够很好地覆盖Ａｌ线上表面和侧壁． ３．５ 自组装膜（ＳＡＭ）衬底制备 为了将具有选择性吸附功能的生化分子探针固 化在微机械悬臂梁上，实现其“目标探测”功能，需要 在微机械悬臂梁上“生长”自组装膜作为生化分子探 针的载体．本研究采用在Ａｕ薄膜上通过共价键结 合巯基化合物的方式“生长”自组装膜．自组装膜生 长前需要用Ｈ ＳＯ４＋Ｈ ０２清洁Ａｕ薄膜表面．为了 避免在生化分子探测时产生的应力对悬臂梁弹性系 数的影响，自组装膜应当“生长”在悬臂梁的自由 端ｌ１ ．我们用电子束蒸发工艺制备了６０ｎｍ的Ａｕ 薄膜，在其下面先蒸发３０ｎｍ的Ｃｒ薄膜做黏附层， 采用剥离（１ｉｆｔ．ｏｆｆ）工艺形成Ａｕ／Ｃｒ薄膜． ３．６悬臂梁结构的形成和释放 用光刻胶做掩模，用感应耦合等离子体深刻蚀 （Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｄｅｅｐ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）正面刻蚀顶层硅形成悬臂梁结构；用厚胶 作为掩模，双面光刻在硅片背面形成刻蚀窗口，用感 应耦合等离子体深刻蚀从背面刻蚀至ｓｏＩ中间氧 化层．此时悬臂梁正面和背面都有光刻胶保护，用缓 冲氢氟酸（ＢＯＥ）腐蚀掉ＳＱｉ中间氧化层，释放悬臂 梁结构，完成器件制作． ４谐振悬臂梁的信号处理电路 ４．１开环检测电路 在室温和空气条件下，采用图４（ａ）的电路结 构，使用ＨＰ４３９５Ａ网络分析仪对传感器进行受迫 振动的频率分析．此时悬臂梁的振动方程为： ｍｅｆ 十ｃ ＋ｋｚ㈩＝Ｆｏｃｏｓ（ ） （６） 将网络分析仪输出的交变电流接入悬臂梁的电 磁激励线圈，激励信号０ｄＢ（３８４ｍＶ），对应激励驱动 电流１．０ｍＡ，由悬臂梁根部的压阻惠斯通电桥检测 悬臂梁的弯曲振动，振动信号经ＡＤ６２０放大后，输 入网络分析仪． ４．２闭环检测电路 闭环的电路对悬臂梁的振动信号进行处理，反 馈到悬臂梁的驱动线圈中，使整个系统工作在一个 自激振荡状态．在闭环的自激振动状态下，悬臂梁的 振动方程为： ｍｅｆ ＋ｃｅ ＋ｋｚ㈩＝Ｆ０ｃｏｓ（ ） （７） 式中 为电磁激励驱动力；ｃ。 ＝ｃ一 是谐振系 ｏ）０ 统的等效阻尼．该式表明通过闭环反馈能够补偿系 统的能量耗散，减小系统等效阻尼，来增加品质因 数，使系统谐振频率的随机漂移变小，以获得更高的 频率稳定度口引．采用图４（ｂ）的电路结构满足闭环工 作的相位以及幅值条件（环路增益大于或等于１，环 路相移２兀的整数倍），实现系统自激振荡． 仪表运算 隔直 反向 放大器 滤波器 放大器 检 Ｈ 馈 前置放大 电路 移相器 ＿＿＿＿＿＿＿＿－●＿＿。。—— ———ｊ＿＿一 限幅与恒 ＡＧＣ自动 流源电路 增益控制 频率输出 检测 懂 擞一 一器一 一 图４谐振式悬臂梁振动信号处理电路 （ａ）开环检测电路框 图；（ｂ）闭环检测电路框图；（ｃ）工作状态下悬臂梁及其闭环检 测接口电路照片 Ｆｉｇ．４ Ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ （ａ）Ｏｐｅｎ－ｌｏｏｐ ｃｉｒ— ｃｕｌｔ；（ｂ）Ｃｌｏｓｅ－ｌｏｏｐ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ；（ｃ）Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ ｗｉｔｈ ｃｌｏｓｅ－ｌｏｏｐ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ 由于传感器输出信号幅值在较微弱的ｍＶ量 级，前置放大器采用仪表运算放大器和反向放大器 两级级联方式，放大倍率分别为２０和１０．同时慎重 选择处于级联位置中第一级的仪表运算放大器，保 证较小的放大器噪声引入，实现较高的信噪比． 带通滤波器的作用是对悬臂梁的不同振动模态 进行选择．采用基于巴特沃兹结构的四阶带通滤波 维普资讯 http://www.cqvip.com 半导体学报 第２７卷 器形成以悬臂梁谐振频率为中心频率的带通电路， 可以对其他模态的信号有效抑制以及对需要检测的 模态进行有效选择．带通滤波器的另一个作用是可 以改善信噪比，降低噪声，尤其是热噪声． １ ｒｏ。 ａｆ＝ Ｉ Ｊ＼Ｊ ０，Ｉ Ｊ Ｉ Ｉ （厂）Ｉ。ｄ厂 ＝ ０，Ｅ ＝Ｓ（，）△， （８） 其中 （厂）为滤波器传递函数； （厂）为噪声功率谱 密度；ｆ为频率；ｆｏ为中心工作频率；△厂为噪声带 宽；Ｅ 为噪声．对于固定的热噪声谱，输出噪声和噪 声带宽的平方根成正比，因此减小噪声带宽可以有 效减少输出噪声．基于传感器本征谐振频率与所需 频率漂移的范围，设计中心工作频率、带宽和品质因 子分别为３００ｋＨｚ、３０ｋＨｚ和１０．综合考虑对噪声的 抑制和传感器电路的通用性，带通滤波器的噪声带 宽△厂约４．７１ｋＨｚ．开环时测量经过滤波器的信号 约为２００ｍＶ，噪声约为４．７ Ｖ． 移相电路通过示波器跟踪调节输入信号与输出 信号的相位差，以保证闭环谐振的相位条件２ｋ Ｔｒ．这 里使用具有平坦频率特性的±９０。的移相电器构成 移相网络，通过可调电阻的调节实现相位的可控移 动． ＡＧＣ放大器的作用是控制闭环自激系统的增 益，确保系统满足闭环自激的幅值条件．本实验构建 了基于ＶＧＡ式芯片（ＡＤ６０３）的ＡＧＣ电路，工作过 程如下：当环境参数变化或者频率发生变化时，传感 器的输出幅度变大（小），通过整流和推挽输出电路 产生控制ＶＧＡ芯片放大倍数的电压差，使可变增 益变小（大），使谐振器通过ＡＧＣ后输出电压不变． ＡＧＣ结构的另外一个作用是，输出幅值．在谐 振频率对信号进行正反馈时，不会使系统达到自激 振荡到削顶的非正弦工作状态，并且配合后级的限 幅电路，为防止悬臂梁驱动线圈中电流过大提供双 重的限幅保护． 正向跟随器保证了输出驱动电路的稳定性，增 加了带负载能力．同时，输出送ＨＰ５３１３１Ａ型频率 计数器作为数据采集信号，并通过ＰＣ机采样记录 闭环频率稳定度． 限幅和恒流电路提供电压向电流（Ｖ－Ｉ）的转 化，产生器件的驱动电流．由于在悬臂梁上溅射了回 形针式铝（Ａ１）线圈作为信号驱动端，因此对于驱动 电流必须进行限流，防止Ａｌ线圈过热被烧断． ， 转化电路实现了当驱动电压幅值不变时，无论负载 如何变化，输出电流幅值保持不变．保证了当随着环 境或者悬臂梁温度变化，而导致 线圈电阻发生变 化时，驱动悬臂梁振动的电流保持不变、驱动悬臂梁 振动的力保持不变． ５测试结果和讨论 ５．１开环测试 在空气室温环境下，根据图４（ａ）的开环电路对 器件特性进行开环测试．悬臂梁的频谱性质如图５ 所示，Ａ悬臂梁一阶模态的谐振频率和品质因数分 别为４９．１５６ｋＨｚ和１９５，二阶模态的谐振频率和品 质因数分别为３０８．９７７ｋＨｚ和３０７．Ａ悬臂梁的二阶 模态谐振频率是一阶模态谐振频率的６．２６８倍，品 质因数是一阶模态的１．６倍．Ｂ悬臂梁的二阶模态 的谐振频率和品质因数分别为２９８．１３２ｋＨｚ和８５７． Ｂ悬臂梁的二阶模态谐振频率与Ａ悬臂梁二阶模 态的频率相近，但是品质因数是其２．７９１倍．对于Ａ 悬臂梁，采用传统洛伦兹力驱动方式激励起悬臂梁 的二阶模态，可以提高悬臂梁时品质因数；而对于Ｂ 悬臂梁，悬臂梁自由端和中部的两个驱动力都与悬 臂梁二阶振动的运动方向相同（如图２（ｄ）），相比Ａ 悬臂梁单驱动力（如图２（ｃ）），这两个驱动力的共同 作用能更好地激励悬臂梁的二阶模态，因此具有比 Ａ悬臂梁二阶模态更高的品质因数．从上述对比可 以发现，相比传统驱动方式，通过优化驱动激励的高 阶模态能够进一步提高品质因数，这将显著改善质 量检测分辨率． 图５ Ａ悬臂梁和Ｂ悬臂梁开环测试的幅一频性质曲线 Ｆｉｇ．５ Ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｔｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎ Ａ ａｎｄ Ｂ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ ５．２ 闭环测试 通过图４（ｂ）所示的闭环测试系统（实物测试系 统见图４（ｃ）），对Ａ悬臂梁和Ｂ悬臂梁进行闭环的 一阶和二阶闭环测试，利用ＨＰ５３１３１Ａ进行２０ｍｉｎ 的频率稳定记录，每秒记录一个频率值，以５ｓ作为 时间间隔求平均值，测量结果如图６所示．Ａ悬臂梁 一阶模态的谐振频率随机变化范围为０．７Ｈｚ，相对 变化率为１．４×１０一，Ｂ悬臂梁二阶模态的谐振频 维普资讯 http://www.cqvip.com 第８期 刘 剑等： 高阶谐振模态的超高质量分辨硅微悬臂梁压阻传感器 Ｎ｝Ｉ 料 鞲裂 图６ Ａ悬臂梁和Ｂ悬臂梁在一阶和二阶模态时的谐振频率 稳定性 Ｆｉｇ．６ Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｏｆ Ａ ａｎｄ Ｂ ｃａｎ－ ｔｉｌｅｖｅｒｓ 率随机变化范围为２．６Ｈｚ，相对变化率为８．７× １０～，所以Ｂ悬臂梁的二阶模态具有比Ａ悬臂梁一 阶模态更小的频率相对随机变化率．采用艾伦变量 （ａＡ）分析方法来表征谐振频率稳定性．艾伦变量分 析法是美国国家标准局制订的频率稳定度表征标 准，在频率测量方面应用非常广泛［１ ］．艾伦变量 是通过时域下频率的测量来反映频域中的频率稳定 性，将测量时间分为Ⅳ一１段，对每段时间间隔ｒＡ 中频率取平均值，艾伦变量由下式定义： ２１ １ 一 一 （ｒＡ）＝壶×Ｊ ｃ ’ ｋ：２ （＾一厂 ） （９） 式中＾是第ｋ个时间间隔中的频率平均值；厂ｃ是 名义载波频率，这里指的是悬臂梁谐振频率．如表１ 所示，Ｂ悬臂梁二阶模态的艾伦变量显著高于Ａ悬 臂梁的一阶模态，这与开环测试时悬臂梁品质因数 的变化规律相符，说明提高品质因数可以获得更高 的频率稳定性．频域中的频率稳定度Ａｔｏ／ｔｏ与艾伦 变量 Ａ的关系为：（Ａｆ／ｆ） ＝（ＣＹＡ） ｒＡ／ｘＢ Ｌｌ引，根据 方程（５）可计算得到闭环测试悬臂梁的质量分辨率， 计算结果列入表１中．在空气中，Ａ悬臂梁一阶模态 的质量分辨率为１７０ｆｇ；而Ｂ悬臂梁二阶模态的质 量分辨率可以达到２９ｆｇ，表明优化驱动方式激励的 二阶模态使分辨率提高了近５．９倍．一个大肠杆菌 细胞的质量约为５００ｆｇ，痘病毒的质量约为７ｆｇ，这 说明在空气环境下，具有优化驱动方式的Ｂ悬臂梁 具有单细胞的检测能力，可以探测到最少４个痘病 毒．从以上讨论可以发现，将悬臂梁传感器谐振频率 信号利用艾伦变量分析方法进行统计处理，可以有 效抑制测量过程中谐振频率的随机变化，获得更好 的检测精度．在后续的工作中，将把艾伦变量的算法 固化在嵌入式系统中，实现具有传感器信号采集、处 理和显示等功能的小型仪表． 表１一阶模态的Ａ悬臂梁和二阶模态的Ｂ悬臂粱的谐振特 性和质量分辨率 Ｔａｂｌｅ １ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｍａｓｓ．．ｓｅｎｓｉｎｇ ｒｅｓｏ．． １ｕｔｉｏｎ ｏｆ Ａ ａｎｄ Ｂ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｓｅｎｓｏｒｓ 悬 振动 谐振 品质 质量 臂 粱 模态 振动模态曲线 ／ｋＨ频率 因数 艾伦变量 分辨率 ｚ ／Ｐｇ ／／ Ａ 一阶 ００ ０ ２ ０ ４ ０６ ０ ８ ｌ ０ ４９．１５６ １９５ ２．１×１０—６ ０．１７ ／， Ｂ 二阶 ００— ４、 ／Ｄ８ ／ ｌ ０ ２９８．１３２ ８５７ ３．３×１０—７ ０．０２９ ｊ／， ６ 结论 本文介绍了一种具有几十ｆｇ量级的集成电磁 激励和压阻检测的谐振式悬臂梁生化传感器，设计 了闭环信号处理电路，并进行了检测．在硅微机械悬 臂梁上集成洛伦兹力驱动线圈和惠斯通压阻电桥， 采用ＡＧＣ式的闭环反馈电路实现自激振荡．从测 试结果可以看出，相比传统的一阶模态悬臂梁传感 器，利用符合二阶振形的优化电磁激励方式可以显 著提高品质因数，获得更好的谐振频率稳定度和质 量分辨率．优化过的二阶谐振模态的质量检测分辨 率可以达到２９ｆｇ，相比传统的一阶模态悬臂梁检测 方式，质量分辨率改善了近５．９倍． 参考文献 Ｌａｖｒｉｋ Ｎ Ｖ，Ｓｅｐａｎｉａｋ Ｍ Ｊ，Ｄａｔｓｋｏｓ Ｐ Ｇ．Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｔｒａｎｓｄｕｃ． ｅｒｓ ａｓ ａ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ ｂｉｏｌｏｇｙ ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｒｅｖ Ｓｃｉ Ｉｎｓｔｒｕｍ，２００４，７５：２２２９ ｌｌｉｃ Ｂ，Ｃｚａｐｌｅｗｓｋｉ Ｄ，Ｚａｌａｌｕｔｄｉｎｏｖ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｓｉｎｇｌｅ ｃｅｌｌ ｄｅｔｅｃ． ｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ．Ｊ Ｖａｃ Ｓｃｉ Ｔｅｃｈｎｏ Ｂ， ２００１，１９：２８２５ Ｇｕｐｔａ Ａ，Ａｋｉｎ Ｄ，Ｂａｓｈｉｒ Ｒ．Ｓｉｎｇｌｅ ｖｉｒｕｓ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｍａｓｓ ｄｅｔｅｃ・ ｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，２００４，８４：１９７６ Ｏｎｏ Ｔ，Ｌｉ Ｘ Ｘ，Ｅｓａｓｈｉ Ｍ，ｅｔ ａＩ－Ｍａｓｓ ｓｅｎｓｉｎｇ ｏｆ ａｄｓｏｒｂｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ｉｎ ｓｕｂ・ｐｉｃｏｇｒａｍ ｓａｍｐｌｅ ｗｉｔｈ ｕｌｔｒａｔｈｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｒｅ． ｓｏｎａｔｏｒ．Ｒｅｖ Ｓｃｉ Ｉｎｓｔｒｕｍ，２００３，７４：１２４０ Ｙａｎｇ Ｊ，Ｏｎｏ Ｔ，Ｅｓａｓｈｉ Ｍ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｕｌｔｒａｔｈｉｎ ｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ．Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ，２０００，８２ １１０２ Ｂｏｉｓｅｎ Ａ，Ｔｈａｙｓｅｎ Ｊ，Ｊｅｎｓｅｎｉｕｓ Ｈ，ｅｔ ａＩ．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｓｅｎ． ｓｏｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｒｅａｄ．ｏｕｔ．Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，２０００，８２：１ １ ［ｌ］维普资讯 http://www.cqvip.com １５Ｏ２ 半导体学报 ａｎｄ ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ：Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，２０００ 第２７卷 Ｍ Ｌ．Ｕｌｔｒａｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ［７］ Ｅｋｉｎｃｉ Ｋ Ｌ，Ｈｕａｎｇ Ｘ Ｍ Ｈ，Ｒｏｕｋｅｓ ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍａｓｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ， ２００４，８４：４４６９ Ｅ１２３ Ｃｈｅｎ Ｇ，Ｔｈｕｎｄａｔ Ｔ，Ｗａｃｈｔｅｒ Ｅ，ｅｔ ａ１．Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ．ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｍｉ． ｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ．Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ，１９９５，７７：３６１８ ［８］ Ｆａｄｅｌ Ｌ，Ｌｏｃｈｏｎ Ｆ，Ｄｕｆｏｕｒ Ｉ，ｅｔ ａ１．Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｎｓｉｎｇ：ｍｉｌｌｉ－ ｍｅｔｅｒ ｓｉｚｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｊ Ｍｉｃｒｏ－ ｍｅｃｈ Ｍｉｃｒｏｅｎｇ，２００４，１４：￥２３ ｎｇ Ｃｈ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ Ｅｌ３］ Ｗａｎｇ Ｙ Ｑ，Ｗａｎｇ Ｙ Ｌ，Ｄｉｄｒｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕ． ｉｅｇｇ Ｍ［９］ Ｖａｎｃｕｒａ Ｃ，Ｒｆ，Ｌｉ Ｙ，ｅｔ ａ１．Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ ａｃｔｕａｔｅｄ ＣＭｏＳ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ｖｏｌａｔｉｌｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ．ＩＥＥＥ １２ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，２００３，２：１３５５ ｓｅｎ Ａ，ｅｔ ａ１．Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ ＥｌＯ］ Ｄｏｈｎ Ｓ，Ｓａｎｄｂｅｒｇ Ｒ，Ｂｏｉｏｆ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂａｓｅｄ ｍａｓｓ ｓｅｎｓｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ｈｉｇｈｅｒ ｍｏｄｅｓ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎＩｊｚｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．ＩＥＥＥ Ｔｈｅ １３ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒ． ｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ，２００５，２：６３６ ｍｅｎｔ，１９９９，２０（４）：３５１（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）Ｅ王亚强，王跃林，丁纯， 等．微机械谐振传感器的闭环恒幅驱动电路研究．仪器仪表 学报，１９９９，２０（４）：３５１１ Ｅｌ４］ Ｅｌ５］ ＷａＩｌｓ Ｆ Ｌ，Ａｌｌａｎ Ｄ Ｗ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＥＥＥ，１９８６，７４：１６２ Ｇｒｅｅｎｈａｌｌ Ｃ Ａ，Ｈｏｗｅ Ｄ Ａ，Ｐｅｒｃｉｖａｌ Ｄ Ｂ．Ｔｏｔａｌ ｖａｒｉａｎｃｅ，ａｎ ｅｓｔｉｍａｔｏｒ ｏｆ ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｕｌ－ ｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏ１．１９９９，４６ （５）：ＩＩ８３ ［１１］ Ｂａｏ Ｍｉｎｈａｎｇ．Ｍｉｃｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ：ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎ． ＳＯＦＳ，ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ．Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｈｉｇｈ Ｍｏｄｅ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ Ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ Ｍａｓｓ－Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｌｉｕ Ｊｉａｎ’，Ｌｉ Ｘｉｎｘｉｎ，Ｊｉｎ Ｄａｚｈｏｎｇ，Ｌｉｕ Ｍｉｎ，Ｗａｎｇ Ｙｕｅｌｉｎ，Ｚｕｏ Ｇｕｏｍｉｎ， Ｙｕ Ｈａｉｔａｏ，ａｎｄ Ｂａｏ Ｈａｎｈａｎ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｐｒｙ ｏｆ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｕｌｔｒａｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ ａ ｍａｓｓ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｎｓ ｏｆ ｆｅｍｔｏｇｒａｍｓ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｏｒ ａｐｐｌｉｃａ． ｔｉｏｎ ｉｎ ａｎ ａｉｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ａ ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｂｒｉｄｇｅ ａｎｄ ａ ｍｅｔａｌ ｃｏｉｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ．Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｍａｓｓ． ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ａｎ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｃｌｉｐ－ｓｔｙｌｅ ＡＩ ｌｏｏｐ ｉｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ２ｎｄ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｍｏｄｅＳｕｃｈ ．ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｗｏ－ｐｏｉｎｔ ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｏｒｃｅｓ ｔｈａｔ ｍａｔｃｈ ｔｈｅ ２ｎｄ ｍｏｄｅ ｓｈａｐｅ．ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎＩｎ ａｉｒ，ｔｈｅ ．ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ２ｎｄ ｍｏｄｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｌｉｐ－ｓｔｙｌｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ８５７，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ １ｓｔ ｍｏｄｅ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｅｘｃｉｔｅｄ ｂｙ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ａ ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ １９５．Ａ ｃｌｏｓｅｄ．１ｏｏｐ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅ． ｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏ ｍａｉｎｔａｉｎ ｔｈｅ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ’ｓ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｉｎ ｓｅｌｆ－ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ．Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＡＩｌｅｎ ｖａｒｉａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｏ． ｎａｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ｉｎ ａｉｒ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｆｒｏｍ ０．１７ｐｇ ｔｏ ０．０２９ｐｇ ｂｙ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ２ｎｄ ｍｏｄｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ４ ｖａｃ． ｃｉｎｉａ ｖｉｒｕｓｅｓ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ；ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｏｒ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ；ＡＧＣ ｔｙｐｅ ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｍｏｄｅ；ｍａｓｓ． ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ＰＡＣＣ：８７８０Ｂ Ａｒｔ．ｃｌｅ ＩＤ：０２５３．４１７７（２００６）０８．１４９６．０７ ＊Ｐｒｏｊｅｃｔ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｐｒｏｇｒａｍ ｆｏｒ Ｂａｓｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ．２００６ＣＢ３００４０５）ａｎｄ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉ． ｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ．６０３７６０３８） 十Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ．Ｅｍａｉｌ；ｌｉｕｊｉａｎ＠ｍａｉｌ．ｓｉｍ．ａｃ．ｃａ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ６ Ｊａｎｕａｒｙ ２００６，ｒｅｖｉｓｅｄ ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ ｒｅｃｅｉｖｅｄ １３ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００６ ④２００６ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
